2024年新材料产业深度报告：人形机器人带来新材料机遇

人形机器人飞速迭代进化

智能机器人发展日益蓬勃

智能机器人，即具有主动性的第一人称智能，本质上是可以与环境交互感知，能自主规划、决策、行动，具有执行能力的机器人。智能机器人的核心目标是能够听到人类语言，然后分解任务，规划子任务，在移动中识别物体，与环境交互，最终完成相应任务。自1968年美国斯坦福研究所公布第一代智能机器人Shakey以来，智能机器人发展日益蓬勃、方兴未艾。

全球机器人市场规模庞大

机器人市场规模庞大。根据中国电子学会《中国机器人产业发展报告 （2022年）》指引，预计2022年全球机器人市场规模将达到513亿美元，其中工业机器人市场规模将达到195亿美元，服务机器人达到217亿美元，特种机器人达到101亿美元。 全球人形机器人未来市场空间巨大。根据KBV Research数据，2022年全球人形机器人市场规模为14亿美元，到2030年该市场规模预计达到396亿美元，CAGR高达51.86%。

具身通用智能机器人是机器人未来发展方向

具身智能被视作人工智能的最终形态。具身智能是指一种基于物理身体进行感知和行动的智能系统，其通过智能体与环境的交互获取信息、理解问题、做出决策并实现行动，从而产生智能行为和适应性。相比一般机器人，人形机器人具有更加复杂的结构、传感、驱动和控制系统。人形机器人是指外观和功能与人相似的智能机器人，比一般机器人具有更加复杂的结构、传感、驱动和控制系统。 人形机器人是具身通用人工智能最理想的身体形式。未来的机器人需要真正做到和人一样，通过实现规划决策（大脑）、运动控制（小脑）、主控系统、主干结构及零部件的组合（类似于人的一系列关节和肌肉）达成基于感知到的任务和环境进行自主规划-决策-行动-执行等一系列行为的目标。

Tesla Bot

Tesla Bot横空出世，人形机器人快速更新。2021年8月19日，在特斯拉首届AI Day活动中，马斯克亲自发布了概念机 Tesla Bot。按照马斯克的设想，Tesla Bot将由分布在机器人手臂、颈部、躯干、手掌、腿部的合计40个电机驱动，使用轻质材料构成主体，并拥有如人类一般灵活的双手。马斯克认为，Tesla Bot将会从处理无聊、重复和危险的事情开始，逐步去实现其他更复杂任务。

Optimus

Optimus迭代进化，有望量产且大幅降低成本。2022年9月30日，特斯拉在Tesla AI Day展示了人形机器人Optimus（擎天柱）的原型机版本，并在展示文档中分享了大量技术细节。马斯克认为Optimus有望在3-5年内实现量产，最终降本至2万美金一台，从而普通家庭亦可购买。

Optimus具有极高自由度。Optimus全身共有40个关节，其中Optimus 的四肢以及躯干部分合计有28个执行器关节，包括14个旋转执行器关节以及14个线性执行器关节。而Optimus 的一双灵巧手则有12个执行器关节，每只手具备11个自由度，可以进行自适应抓取，且具备反向锁止功能。

Optimus结构及原材料拆解

人形机器人包含四大核心技术模块

人形机器人主要包含四大核心技术模块：环境感知模块、智能AI芯片模块、运动控制模块、操作系统模块，其中前三大技术模块与硬件有关。

Optimus全身具有50个自由度

Optimus全身有50个自由度，分布在各个身体部位。人形机器人的自由度需要执行结构达成，组成Optimus的14个旋转执行器、14个线性执行器、灵巧手的多个空心杯关节为其带来了50个自由度，使其不同身体部位能够前摆(Pitch)、扭转(Yaw)、侧摆(Roll)运动，同时每只灵巧手的11个自由度让其能够执行更复杂的操作。

Optimus成本拆分

在Optimus整机的BOM中，FSD芯片及套件、六维力矩传感器、行星滚柱丝杠、谐波减速器、无框电机价值量位列前五，分别占整机价值的比重为27.68%、19.77%、14.30%、11.53%、9.23%。

六维力矩传感器的核心是硅应变片

六维力矩传感器属于应变片式传感器，其主要组成部分 包括弹性体(Elastomer)、硅应变片、PCB板等。弹性体 材料包括铝合金、不锈钢等；PCB板的核心是覆铜板， 是将电子玻纤布或其它增强材料浸以树脂，一面或双面 覆以铜箔并经热压而制成的一种板状材料；这些部分价 值较为便宜。 硅应变片是传感器的核心，也是其价值的主要组成部分。 硅应变片是将单晶硅切片、研磨、腐蚀压焊引线，最后 粘贴在聚酰亚胺的衬底上制成的，其关键是通过测量硅 的体积变化带来电阻的变化，采集并计算以后得到力的 大小。硅应变片材料成本较低，但导致其价格高昂的原因是对 应变精准测量采集的技术和加工工艺。截止2024年2月 27日，硅应变片龙头KYOWA 的 KFWB 型号应变片的 价格为445.2元/片，而标准130μm的N型单晶硅片仅需 2.55元/片。

行星滚柱丝杠的主要材料是合金钢和轴承钢

行星滚柱丝杠的材料中，主丝杠选用的材料为50CrMo4或42CrMo4合金钢，螺母和滚柱选用的材料为GCr15轴承钢。50CrMo4合金钢具有高强度、高硬度和良好的抗疲劳性能，适用于制造需要承受高载荷的零部件；GCr15轴承钢耐磨性、抗接触疲劳强度高，热加工性好，适用于制造高耐磨性、高弹性极限和高接触疲劳强度的机械零件。

无框电机仅由定子和转子组成

无框电机仅由一组定子和转子组成。转子由带永磁体的旋转钢圆环组件构成，直接安装在机器轴上；定子包含有高磁导率磁芯，外面包裹着能产生电磁力的铜绕组，紧凑地安装在机器外壳的主体内。据观研报告网，在上述材料中永磁材料价值量最高，占整体的35%。 根据尼得科为机器人关节设计的无框电机产品参数，其转子重量在0.027kg-0.336kg之间，我们估计中等型号的转子中使用钕铁硼永磁材料的量为0.1kg。

高性能钕铁硼供不应求

永磁材料是决定电机性能的关键

永磁材料，又称“硬磁材料” ，指的是一经磁化即能保持恒定磁性的材料，主要利用钕、钐等稀土元素与钴、铁等过渡金属组成合金，代表为稀土永磁材料、铁氧体永磁材料。自第一代稀土永磁材料问世以来，稀土永磁已经历第一代SmCo5系材料，第二代沉淀硬化型Sm2Co1 7系磁体，发展到第三代钕铁硼（Nd2Fe 1 4B）系永磁材料。

钕铁硼永磁材料具有高磁能积、高矫顽力、体积小、质量轻、稳定性强的特性，是目前应用范围最广、性价比最高、综合性能最优的磁性材料。根据生产工艺的不同，钕铁硼永磁材料可分为烧结钕铁硼、粘结钕铁硼、热压钕铁硼。烧结钕铁硼产量占比最高，基本保持在85%以上，处于市场主导地位。

高性能钕铁硼是电机永磁材料的最优解

高性能钕铁硼是内禀矫顽力和最大磁能积之和大于60的烧结钕铁硼磁材。相比于产品同质化严重、技术含量低的中低性能钕铁硼产品，高性能钕铁硼具有极高的尺寸精度，磁性均匀性和一致性好，易加工成各种形状尺寸，特别适用于高功率、高磁场领域以及小型化、轻量化的各种产品。

伺服电机是驱动人形机器人运行的无法取代的方式。伺服电机在控制精度、过载能力、速度响应等方面均优于步进电机，更加适用于机器人领域。而永磁材料是伺服电机性能优劣的关键；在人形机器人轻量化、体积小的要求下，高性能钕铁硼成为电机永磁材料的最优解。

钕铁硼产业链分析

钕铁硼产业链上游是稀土开采和冶炼分离行业；中游主要为钕铁硼生产制造行业，两极分化明显：低端市场门槛低，产能分散，产品同质化明显，市场竞争无序，而高端市场具有较高的技术、资金准入门槛，未来发展空间广阔；钕铁硼产业链下游应用包括新能源汽车、节能电机、风力发电、机器人制造等领域。

PEEK是优选轻量化材料

机器人轻量化

机器人本体轻量化技术能解决在紧密空间内的人与机器人的紧密协作、保证机器与人类一起协作工作时不会受到机器的伤害、提高机器人的机动灵活性等问题。 机器人轻量化的基本原则是在保证机器人功能的先进性、稳定性、使用的可靠性和服役的安全性的前提下，通过结构优化设计、轻量化材料选择、先进制造工艺，来达到机器人构件轻量化的目的。

聚醚醚酮PEEK

PEEK是综合性能和产品附加值最高的特种工程塑料。PEEK 性能全面，在刚性方面优于绝大多数特种工程塑料的同时，也兼具韧性，展现了全面的机械性能，此外也有优异的耐热、耐磨、耐腐蚀性能。PEEK比强度大、密度低。在满足强度要求的前提下，PEEK可以大幅度减小材料本身的自重，成为实现轻量化的解决方案，工业领域“以塑代钢”应用空间广阔。 PEEK可通过与碳纤维、玻纤等材料复合来提高材料的综合性能。借助于碳纤维很高的拉伸强度和弹性模量，碳纤维复合PEEK材料展现出更高的韧性、抗冲击性、比强度、热稳定性，扩展了PEEK材料的应用场景。

全球PEEK市场一超多强，国产PEEK逐渐得到认可

全球PEEK 生产厂商呈现“一超多强”的竞争格局。英国威格斯是全球最大的PEEK生产商，其次是比利时索尔维和德国赢创，据中研股份招股说明书，截至2021年底，三家企业的产能占比超过全球总产能的80%。 国产PEEK产品逐渐得到认可。2021年中国PEEK市场规模为1980吨，其中国产PEEK为1155吨，进口PEEK为825吨，分别占比58.3%、41.7%。中研股份销量超越英国威格斯，成为中国PEEK市场市占率最高的企业，达到30.57%。与国外产品相比，国内中研股份、鹏孚隆等企业在原料和设备方面立足于国内的同时不断提高产能，取得了成本优势，也能保证产品纯度高，批次稳定。

特种钢材应用部位较多

特殊钢是具有特殊性能和用途的钢铁产品

特殊钢，是与普钢相对的概念，专指由于成分、结构、生产工艺特殊而具有特殊物理、化学性能或者特殊用途的钢铁产品。特殊钢产品种类丰富，按用途分为工具钢、结构钢与特殊用途钢三大类。

制造工艺是特钢产业的核心竞争力

特钢产业链上游包括铁矿石、合金等原材料制造以及废钢回收再利用环节；中游是指特钢制造，包括结构钢、工具钢以及其他特殊钢的生产制造；产业链下游应用包括汽车、工程机械、航空航天等主要工业制造领域。

全球特钢行业市场增速趋缓

全球特钢行业市场增速趋缓。据华经情报网报道，2021年全球特钢行业市场规模为4201.5亿美元，同比增长2.24%；2017-2021年CAGR为3.94%，市场增速放缓。 特钢市场规模与国家发达水平、工业化程度、技术进步水平和高端工业产品的出口量密切相关。特钢消费量主要集中在工业化程度高和经济比较发达的国家和地区；其中,日本是特钢产业总体水平最高的国家，以高度专业化生产闻名于全球，2020年日本特钢产量占全部粗钢产量20.77%。

人形机器人拉动大量特钢需求

人形机器人使用的高质量特钢产品主要包括50CrMo4合金钢、40Cr合金钢和GCr15轴承钢。50CrMo4是一种高强度合金结构钢，具有高强度、高硬度和良好的耐磨性；40Cr是一种优质碳素结构钢，它具有较好的淬透性、回火稳定性和抗腐蚀能力；GCr15是具有高耐磨性、高强度和良好的耐腐蚀性的轴承钢。人形机器人带来未来大量特钢需求。我们测算，一台人形机器人上50CrMo4合金钢、GCr15轴承钢和40Cr合金钢的用量分别为7.7kg、7.7kg、1.4kg，在远期1000万台的销量下，将分别拉动市场规模为11.55亿元、3.927亿元、0.728亿元。

报告节选：

编辑：火腿肠